HDMI接口硬件测试

第 1 页 共 70 页 HDMI接口硬件测试 第 2 页 共 70 页 目录目录 Table of Contents 1综述综述 9 2HDMI的应用优势的应用优势 9 2 1 音视频融合 10 2 2 良好的兼容性 10 2 3 出色的抗衰减能力 10 2 4 支持更多原色色深 10 3HDMI物理接口物理接口 10 3 1 TYPE A 11 3 2 TYPE B 12 3 3 TYPE C 13 3 4 HDMI电气特性及要求 14 3 4 1TMDS概述 14 3 4 2TMDS系统运行条件及测试特性 16 3 4 3HDMI源端TMDS特性 16 3 4 4HDMI接收端TMDS特性 18 3 4 5传输系统TMDS特性 20 3 4 6 5V电源 22 3 4 7DDC信号 23 3 4 8热插拔检测信号 23 3 4 9CEC信号 23 4HDMI的信号传输原理的信号传输原理 24 4 1 视频数据周期 27 4 1 1视频支持格式 28 4 1 2象素编码和色彩深度 29 4 2 数据孤岛周期 31 4 3 控制周期 32 5HDMI数字版权保护系统数字版权保护系统 33 第 3 页 共 70 页 6HDMI测试方案测试方案 35 6 1 测试仪器要求 36 6 1 1测试夹具 TAP 37 6 1 2抖动 眼图分析仪 38 6 1 3数字示波器 39 6 1 4探头和线缆 40 6 1 5信号发生器 40 6 2 TDSHT3软件介绍 41 6 3 源端测试 42 6 3 1数据眼图 44 6 3 2时钟抖动 48 6 3 3时钟占空比 50 6 3 4过冲 下冲 53 6 3 5上升 下降时间 55 6 3 6对间偏移 57 6 3 7对内偏移 60 6 3 8低电平输出电压 63 6 4 接收端测试 65 6 4 1抖动容限 66 6 4 2最小 最大差分摆幅容限 67 6 4 3对内偏移 67 6 4 4差分阻抗 68 6 5 CABLE测试 69 6 5 1数据眼图 69 第 4 页 共 70 页 表目录表目录 List of Table 表1 HDMI源端DC特性 17 表2 HDMI源端AC特性 17 表3 接收端设备DC特性 19 表4 接收端设备AC特性 19 表5 HDMI接收端阻抗特性 20 表6 传输系统TMDS参数 21 表7 5V电压管脚电压要求 22 表8 DDC链路最大电容要求 23 表9 DDC链路上拉电阻要求 23 表10 热插拔电气特性要求 23 表11传输期间传输类型和编码类别 26 表12 HDMI支持的分辨率和帧频 28 表13 前导码对应的每个数据周期类型 32 表14 TMDS接收同步建立时间和扩展周期参数 32 表15 HDMI接口硬件测试内容 35 第 5 页 共 70 页 图目录图目录 List of Figures 图1 左边是插座 右边是插头 11 图2 TYPE A信号定义 12 图3 左边是插座 右边是插头 12 图4 TYPE B信号定义 13 图5 左边是插座 右边是插头 14 图6 TYPE C信号定义 14 图7 TMDS差分对结构示意图 15 图8 差分信号的单端电平和差分电平 15 图9 TMDS链接测试点 15 图10 均衡器公式及增益 16 图11 源端测试示意图 17 图12 源端测试信号眼图模板 18 图13 接收端测试示意图 18 图14 接收端测试眼图模板 20 图15 传输系统测试示意图 20 图16 类一传输衰减限制 22 图17 类二铜线传输衰减限制 22 图18 HDMI信号流框图 25 图19 HDMI支持的音频格式 25 图20 720 480的数据传送周期 27 图21 默认象素编码 RGB 4 4 4 8BITS 分量 29 图22 YCBCR 4 2 2 分量 30 图23 8位YCBCR 4 4 4格式映射 30 图24 TMDS周期与编码类型 31 图25 数据岛前导码和保护码 33 图26 视频数据周期中的前导码 33 图27 测试点示意图 36 第 6 页 共 70 页 图28 安捷伦提供的HDMI测试夹具 38 图29 TMDS眼图测量框图 38 图30 TMDS抖动测量框图 39 第 7 页 共 70 页 HDMI接口硬件测试规范接口硬件测试规范 关键词关键词 数字高清 HDMI TDSHT3 测试 摘摘 要 要 本文介绍了数字高清技术的特点及业界与高清相关的接口 详细分析了HDMI接 口标准规范 从中总结和提取出了硬件特性要求和测试要求 同时介绍了HDMI的帧结构 最后介绍了使用TDSHT3软件进行HDMI接口测试的过程 第 8 页 共 70 页 1 综述综述 随着音视频产品和格式的发展 特别是HDTV产品日益被普通消费者所接受 高清格 式节目所带来的大量数据的传输压力 更多的高保真声道导致的布线混乱 以及日益重要 的高清音视频节目版权保护 都向技术发展提出了新的需求 目前 主流数字家电的接口规范只能传输压缩或者未压缩数字视频信号 音频信号需 要单独的接口进行连接 这在使用过程中给普通消费者带来不便 1998年9月 intel在器开 发者论坛 intel developer forum 上宣布成立数字显示工作小组 并于1999年4月提出了 DVI digital visual interface 成为计算机和电视可以共用的显示设备接口 DVI的出现 正 式提供了数字输出 数字输入的快捷方案 由于数字传输的诸多优势 PC显示卡和显示器 都逐渐改成以DVI为主要输出输入接口 但是DVI接口仅仅保持在视频信号的处暑方面 并没有包括音频信号的传输 本世纪初 在Holly Wood大多数影音工作室 制片商 众多注明电视节目供应商 有 线电视工业界以及大多数消费电子制造商的认同下 有Silicon Image倡导 联合 Sony Hitachi Panasonic PHILIPS THOMSON RCA Toshiba等数家注明消费电子制 造商成立的工作组共同开发 并签署协议认可推出了高清晰度数字多媒体接口 HDMI High Definition Digital Multimedia Interface 接口标准 并于2002年12月正式公布 了HDMI Version 1 0规范 该接口退出后不久 DVD论坛于2003年10月批准HDMI为标准信 号传输制式之一 2004年5月HDMI 1 1规格发布 2005年8月又推出了1 2标准 2005年12月 推出了1 2a标准 2006年6月推出了现在使用HDMI 1 3标准 2 HDMI 的应用优势的应用优势 足够的带宽需求 数字高清的数据量和传输量是非常巨大的 连接信号源与接收端的 数据接口和线缆必须能提供大于数字高清视频播放所要求的带宽 HDTV 1080P高清模式 所需要的数字带宽在2 0Gbps 2 2Gbps 1920 1080 24bit 30frame 1 4经验常数 算 上8声道 7 1音响系统 的音频传输需求 总的带宽需求也没有超过4Gbps 而HDMI 1 0标 准可以在HDMI接口间提供5Gbps 完全能够满足高清格式数据的传输要求 随着标准的升 级 将来能够提供更高的带宽 现在的1 3标准最高可以达到10Gbps 第 9 页 共 70 页 2 1音视频融合 通过HDMI接口我们可以直接欣赏到数字高清所带来的震撼效果 而不用分开来传输 音频和视频 HDMI接口也是现在唯一能提供音视频同时传输的数字高清传输接口 音视 频的融合大大简化了我们连接影音设备的工程 连接一个7 1声道的音响系统我们需要8条 音频线 而HDMI接口只要一根线就所有工作都搞定 面对这么简单的连线 谁不愿意使 用这么方面的东西呢 2 2良好的兼容性 现在的设备提供DVI接口的远多于HDMI接口的 为了节省成本和顺利推行HDMI接口 HDMI接口完全是兼容DVI接口 接口信号定义兼容 只是采用了不同的接口封装 通过 DVI HDMI接口转接器 就可以方便的使用HDMI接口了 2 3出色的抗衰减能力 HDMI在数据传输方面有着出色的抗衰减能力 这使得它在长距离传输上比DVI等方式 更具优势 普通HDMI线与高价HDMI线性能表现类似 只要通过测试合格 HDMI没有 指定长度限制 但是一般的线缆厂商提供的HDMI铜线都在15M以内 一方面有良好的可 靠性保证 一方面价格比较利于消费者接受 这个距离也远远超过DVI所能保证的5M的距 离 2 4支持更多原色色深 DVI由于产生于PC平台 其支持的原色的色深受限于True Color的24bit 而现在的数字 电视要求的是36bit高逼真画面 即要求三原色各自有12bit数字视频信号 目前 DVI无法 满足这种要求 而HDMI则可以支持12bit数字视频信号 HDMI的出现使我们可以欣赏到色 彩层次更加丰富 暗影细节更多的画面 3 HDMI 物理接口物理接口 HDMI物理接口总共有三种类型 Type A B C Type A接口携带所有的HDMI信号 包括单一的TMDS LINK Type B连接器比Type B 稍微大一些 携带了两个TMDS LINK 一般用于相对要求较高的计算机显示方面 Type C 第 10 页 共 70 页 是mini HDMI接口 包括一个TMDS link 在尺寸上面比Type A小 所携带的信号和Type A 是一样的 接口分为插座 RECEPTACLE 和插头 PLUG 插座放置在单板上 插头则是 HDMI线缆的接头 下面是三种类型的插座和插头的机械尺寸和外貌 3 1Type A 图1 左边是插座 右边是插头 第 11 页 共 70 页 图2 Type A信号定义 3 2Type B 图3 左边是插座 右边是插头 第 12 页 共 70 页 图4 Type B信号定义 3 3Type C 第 13 页 共 70 页 图5 左边是插座 右边是插头 图6 Type C信号定义 3 4HDMI 电气特性及要求 HDMI的电气特性是与TMDS信号特性相关 同时也与TMDS时钟相关 其中的接口测 试是根据传输的不同阶段而分段测试 最后组成一个完整的测试 3 4 1TMDS 概述 TMDS差分结构示意图如图7所示 TMDS技术利用电流驱动产生低电压差分信号 在 接收端通过DC耦合形成传输 传输链路的参考电压AVcc设置差分信号的高电平 低电平 由HDMI源的电流和接收端的终端匹配电阻决定 终端电阻RT和传输线的特性阻抗Zo必须 匹配 一般选择50欧姆 第 14 页 共 70 页 图7 TMDS差分对结构示意图 差分线的单端信号高电平是AVcc 低电平是Vswing 而差分信号的摆幅就是 2 Vswing 高电平是正的Vswing 低电平是负的Vswing 如图8所示 图8 差分信号的单端电平和差分电平 TMDS信号的测试点如图9所示 TP1是用于测试HDMI的源端输出 TP2是用于测试接 收端输入 TP1和TP2结合用于测试传输电缆 图9 TMDS链接测试点 第 15 页 共 70 页 3 4 2TMDS 系统运行条件及测试特性 终端供电电压AVcc 3 3V 5 终端匹配电阻RT 50ohms 10 所有的TMDS时钟和数据信号的抖动特性都与一个理想的恢复时钟相关 这个恢复时 钟用在测试TMDS信号眼图的时候做触发源 这个触发源用一个PLL来实现 带有 3dB带 宽为4MHz的低通滤波器 另外通常高速串行总线都有加重和预加重 在HDMI接口采用传输线均衡器来实现 从而改善传输性能 在接收端能够有一个比较理想的眼图 图10 均衡器公式及增益 3 4 3HDMI 源端 TMDS 特性 HDMI需要一个DC耦合TMDS连接 源端测试示意图如图10所示 AVcc为3 3V 第 16 页 共 70 页 图11 源端测试示意图 源端设备应满足DC特性 如表1 表 1 HDMI 源端 DC 特性 ItemValue 单端输出停靠电压 VOFF AVcc 10mV 单端输出摆放电压 Vswing 400mV Vswing 600mV 单端输出高电平 VH如果接收端支持TMDS时钟 165MHz 则 为AVcc 10mV 如果接收端支持TMDS时钟 165MHz 则为 AVcc 200mV VH AVcc 10mV 单端输出低电平 VL如果接收端支持TMDS时钟 165MHz 则 为 AVcc 600mV VL AVcc 400mV 如果接收端支持TMDS时钟 165MHz 则为 AVcc 700mV VL AVcc 400mV 源端设备应满足AC特性 如表2 表 2 HDMI 源端 AC 特性 ItemValue 上升 下降时间 20 80 75ps 上升 下降时间 0 4Tbit 最大过冲全差分幅度 Vswing 2 的25 差分信号间skew0 15Tbit 差分对信号间skew0 20Tcharacter 时钟占空比 min average max40 50 60 TMDS 差分时钟信号抖动 max0 27Tbit 在源端的TP1处按照图11的测试设计 测出的眼图应该是如图12所示 要求满足时间 的幅度的最小眼张开宽度 这与平均的差分偏移和最高和最低电平有关 第 17 页 共 70 页 图12 源端测试信号眼图模板 Vhigh max Vswing max 15 2 Vswing max 600 180 780mV Vhigh min Vswing min 25 2 Vswing min 400 200 200mV Vlow max Vswing max 15 2 Vswing max 600 180 780mV Vlow min Vswing min 25 2 Vswing min 400 200 200mV 最小眼图张开幅度 Vhigh min Vlow min 400mV 3 4 4HDMI 接收端 TMDS 特性 HDMI接收端测试采用如图13所示的测试示意图 图13 接收端测试示意图 第 18 页 共 70 页 接收端设备应满足的DC特性如表3所示 表 3 接收端设备 DC 特性 ItemValue 在接收端连接并运行的情况下 输入差分电平 Vidiff150 Vidff 1200mV 输入共模电平 VicmVicm1 如果接收端仅支持TMDS时钟 165MHz 则 AVcc 300mV Vicm1 AVcc 37 5mV 如果接收端仅支持TMDS时钟 165MHz 则 AVcc 400mV Vicm1 AVcc 37 5mV Vicm2 AVcc 10mV 在接收端没有连接或使用的情况下 差分电平 AVcc 10mV 注 所有的接收端设备必须都要支持Vicm电平范围 包括Vicm1 和 Vicm2 AC耦 合时共模为Vicm2 但是源端并不允许在Vicm2运行 当高速传输时 DC耦合Vicm1小于 上表中的要求 则源端设备会终止通信 接收端设备应满足的AC特性如表4所示 表 4 接收端设备 AC 特性 ItemValue 最小差分敏感电平 peak to peak 150mV 最大差分输入电平 peak to peak 1560mV 最大允许差分对内偏移TMDS时钟在225MHz以下 0 4Tbit TMDS时钟在225MHz以上 0 15Tbit 111ps 最大允许差分对间偏移0 2Tcharacter 1 78ns TMDS时钟抖动0 30Tbit 上升时间 200ps 接收端设备测试在TP2的眼图要求如下 第 19 页 共 70 页 图14 接收端测试眼图模板 表 5 HDMI 接收端阻抗特性 ItemValue TDR 时域反射计 上升时间 10 90 200ps 整个连接阻抗 100ohms 15 终端阻抗 Vicm 在 Vicm1 范围内 100ohms 10 终端阻抗 Vicm 在 Vicm2 范围内 100ohms 35 3 4 5传输系统 TMDS 特性 传输系统 Cable assembly 包括五个独立的部分 源端连接器 源端转换器 传输电 缆 接收端转换器 接收端连接器 HDMI传输线测试的测试点在如图15所示的TP3和TP4 之间 第 20 页 共 70 页 图15 传输系统测试示意图 HDMI的传输系统有两类 一类是支持TMDS时钟频率达74 25MHz 另一类支持TMDS 时钟频率达340MHz HDMI传输系统测试采用两个不同的眼图来衡量 一个是不加均衡器 的测试 non equalized 一个是加均衡器的测试 equalized 不加均衡器的眼图要求 当被输入符合如图11所示眼图模板的信号时 在TMDS输出波形应该在接收端的眼图符合 图13所示的眼图模板 加均衡器眼图要求 当被输入符合图11所示眼图模板的信号时 在 TMDS输出波形应该在接收端的眼图符合加均衡器后的眼图模板要求 根据传输线支持的频率不同 对应于有不同的特性要求 类一 74 25MHz 传输线应该符合如下要求 a 各项参数符合表9要求 b 或者 无均衡器眼图符合在74 25MHz情况下的眼图模板 类二 74 25MHz 传输线应该符合如下要求 a 各项参数符合表9要求 b 或者 无均衡器眼图符合在165MHz情况下的眼图模板 并且带均衡器眼图在 340MHz符合模板要求 及如果采用铜线传输则必须满足图17所示的衰减要求 如 果采用带均衡器的传输线 则必须满足图18所示的衰减要求 表 6 传输系统 TMDS 参数 参数类一 74 25MHz 类二 74 25MHz 最大传输差分信号间Skew151ps111ps 最大传输差分信号内Skew2 42ns1 78ns 远端串扰 26dB 26dB 衰减 300kHz 825MHz 825MHz 2 475GHz 2 475GHz 4 125GHz 4 125GHz 5 1GHz 参看图15 8dB 21dB 30dB 参看图16 5dB 5dB 12dB 12dB 20dB 20dB 25dB 差分阻抗 连接点到转换部件 启动到 1ns 传输线部分 1ns 2 5ns 100欧姆 15 100欧姆 10 第 21 页 共 70 页 图16 类一传输衰减限制 类二传输衰减限制 图17 类二铜线传输衰减限制 加均衡器传输衰减限制 3 4 6 5V 电源 HDMI连接器提供一个管脚用于源端设备提供5V给传输线和接收端设备 所有的 HDMI源端设备都必须能够提供5V信号 无论时用于DDC或TMDS信号 对于5V的要求如 表10所示 同时还应提供过流保护 当大于0 5A的时候由源端设备提供 所有的HDMI源端设备都必须能够提供至少55mA给5V电压管脚 接收端设备一般消耗 的电流不会超过50mA 当接收端设备启动后最多只需要10mA就可以了 所以传输系统必 须要能支持最少50mA的电流通量 5V电压信号通过DDC CEC地信号作为回路 表 7 5V 电压管脚电压要求 ItemMinMax TP1 电压4 8V5 3V 第 22 页 共 70 页 TP2 电压4 7V5 3V 3 4 7DDC 信号 DDC Display Data Channel I O I2C及接地信号应该满足相应的要求 如I2C总线2 1 版本 标准模式 设备 对于HDMI设备的DDC电气特性如表11和表12所示 表 8 DDC 链路最大电容要求 ItemHDMI源设备传输系统HDMI接收设备 SDA DDC CEC GND50pF700pF50Pf SCL DDC CEC GND50pF700pF50Pf 表 9 DDC 链路上拉电阻要求 ItemValue 源端上拉电阻 SCL和SDA1 5k ohms 2 0k ohms 接收端上拉电阻 SCL47k ohms 10 3 4 8热插拔检测信号 热插拔检测信号的参考地就是DDC CEC的地管脚 对于热插拔信号的电气特性要求 如下 表 10 热插拔电气特性要求 ItemValue 高电平 接收端 2 4V 5 3V 地电平 接收端 0V 0 4V 接收端输出阻抗 1000ohms 20 高电平 源端 2 0V 5 3V 低电平 源端 0V 0 8V 值得注意的是 许多接收端设备仅仅是简单地把HPD 热插拔 信号通过1k ohms的电 阻与 5V相连 实际上在源端需要把HPD信号下拉处理 以可靠的区分是未连接还是HPD 的高电平信号 3 4 9CEC 信号 CEC Consumer Electronics Control 是一个可选的协议 CEC信号线不论使用还是不 第 23 页 共 70 页 使用 都必须与所有的HDMI设备互连 当一个设备是最终的CEC根设备时 就不应该把 CEC再连到任何其他的HDMI输出上 CEC在下电后的漏电流最大不能超过1 8uA 设备端 最大负载电容不能超过200pF 传输系统的最大负载电容不能超过700pF 4 HDMI 的信号传输原理的信号传输原理 HDMI连接是有一对信号源和接收器组成 不过一个系统种也可以包括多个HDMI输入 或者输出设备 每个HDMI信号输入接口都可以依据标准接收连接器的信息 同样信号输 出接口也会携带所有的信号信息 一对信号源和接收器的HDMI接口的结构为HDMI电缆 接收器和发送器 接收器和发 送起包括三个不同的TMDS数据信息通道和一个时钟通道 这些通道支持视频 音频和一 些附加信息 除此之外 还有DDC通道实现信号源和接收器之间的数据交换 CEC通道通 过协议对整个链路上的各种视听设备进行控制 也就是说可以通过遥控器控制HDMI连接 的多台设备 视频音频和附加信息通过三个通道传送到接收器上 而视频的象素时钟则通过TMDS 时钟通道传送 接收器接收这个频率参数之后 将还原另外三个通道传递过来的信息 视频信号传输 比如当24bit象素的视频信号通过TMDS通道传输 TMDS将每通道8bit 的信号编码转换为10bit的DC balanced 稍作介绍 在每个10bit象素时钟周期传送一个最 小话的信号序列到接收器 视频象素流的速率一般在25M 165M之间 当视频格式的速率低于25M 例如 480i NTSC的传输率为13 5M 则视频流种的象素将被重复使用 视频流中的编码可以转换 为RGB YCbCr 4 4 4或者4 2 2格式以适应不同的输出设备 随着技术的不断更新 原来24bit pixel可以升级到36bit甚至是48bit pixel 第 24 页 共 70 页 图18 HDMI信号流框图 HDMI通过数据岛中的数据包方式传输音频和辅助的数据 为了获得声音数据和控制 数据的高可靠性 该数据采用了一个BCH错误纠正码 并在编码的时候采用了出错率较地 的10bit word进行传输 声音信号则是基于IEC 60958 L PCM的信号流 其声音的采样比率可选择为 32KHz 44 1 KHz或者48 KHz 从而满足任何立体声系统的需要 相应的 HDMI的声音 信号传输可以支持单一采样率最高为192KHz的声音数据流 或者采样率最高为96KHz的 2 4个声音数据流 支持3 8个声道 HDMI同样可以支持IEC 61937压缩的最高采样率 为196MHz的声音编码格式 例如环绕声 而且HDMI还能够携带2 8声道的ONE BIT AUDIO声音 图19 HDMI支持的音频格式 DDC I2C bus 的使用是为了让信息源识别接收器的显示设备ID信息 EXTENDED DISPLAY IDENTIFICATION DATA 从而发现接收器的配置信息和能力 TMDS的时钟通道持续传送这视频的象素比率 在一个TMDS时钟通道循环中 每一 第 25 页 共 70 页 个数据通道都传送10bit信号 这10bit字符编码可以是几种不同编码格式中的一种 输入的 源编码格式包括视频象素 数据包和控制数据 数据包的数据包括音频数据和附加信息数 据以及相关的纠错编码 对于以上三种数据信息的处理 可以采用多种不同的方式 只要在每一个TMDS通道 中包含2bits的控制数据 8bits的视频数据和4bits的数据包即可 源编码采用一种数据类型 或者在给定的时钟循环中给出编码的Guard Band即可 HDMI的信息传送分为三个阶段 视频数据 数据岛周期和控制周期 在视频数据周 期内 象素和视频信息被传送 在数据岛周期 音频和附加的信息通过一些列连续的数据 包被传送 在控制周期内没有任何视频数据 音频数据或者附加数据被传送 控制周期在 任意两个周期之间是必须存在的 表 11 传输期间传输类型和编码类别 周期数据传送编码类型 视频象素视频数据编码 8bits to 10bits 视频数据 Guard Band 归一化成10bits 包数据 音频采样 信息帧 HSYNC VSYNC TERC4 编码 4bits to 10bits 数据孤岛 Guard Band 归一化成10bits 控制控制 前导码 HSYNC VSYNC 控制周期编码 2bits to 10bits 在视频数据周期中每个通道至少传送8bits的源编码 三个TMDS通道总量为24bits的象 素信息 数据岛周期是传送相似的编码 TMDS错误修正 TERC4 每个通道传送 4bits 三个TMDS通道总共传送12bits的信息 控制周期中 每个通道传送2bits信息 三个 TMDS通道总共传送6bits的编码信息 这6bits信息包括 HSYNC VSYNC CTL0 CTL1 CTL2 CTL3 在每个控制周期最后的阶段 通过CTLx bit指出 下一个周期是视频数据周期还是数据岛周期 下图表示了一帧图像数据中各个周期的位置 第 26 页 共 70 页 图20 720 480的数据传送周期 4 1视频数据周期 视频数据周期传送的是视频的有效象素 每个视频数据周期之前都有前导码 视频数 据周期以2位的视频Leading preamble开始 视频数据周期开始时有Guard Band标志后面传 输的有效视频数据 视频有效数据传输结束时没有Trailing Guard Band作结束标记 Guard Band编码成10bits进行传送 分别是 0通道 0b1011001100 1通道 0b0100110011 2通道 0b1011001100 第 27 页 共 70 页 4 1 1视频支持格式 一个HDMI设备所支持的视频格式有可能是RGB 4 4 4 YCBCR 4 4 4 YCBCR 4 2 2 中的任意一种 但是所有的HDMI源端设备和接收端设备都至少应该支持RGB 4 4 4 格式 而对于源端设备和接收端设备支持YCBCR 4 4 4 或 YCBCR 4 2 2 格式 则根据需要而定 但是如果HDMI接收端设备支持YCBCR 4 4 4 或 YCBCR 4 2 2 格式的任意一种 那么以上 两种都应该支持 对于格式的支持能力的交换源端和接收端通过E EDID来进行 HDMI源端和接收端设备都有可能支持24 30 36 48bits pixel 的色彩深度格式 但 是对于24bits深度的格式 源端和接收端设备都必须要支持 大于24bits的我们称之为 Deep color 模式 虽然所有的深度色彩都是可选的 但是一旦HDMI源端和接收端支持 任何一种 Deep color 模式 则必须支持36bits格式的 对于 Deep color 模式而言 YCBCR 4 2 2是不允许的 HDMI支持的象素和帧频分两类 一类是必须支持的 另一类是可选支持的 表 12 HDMI 支持的分辨率和帧频 首 必 选格式 分辨率帧频 640 480p 59 94 60Hz 1280 720p 59 94 60Hz 1920 1080i 59 94 60Hz 720 480p 59 94 60Hz 720 1440 480i59 94 60Hz 1280 720p 50Hz 1920 1080i 50Hz 720 576p 50Hz 720 1440 576i50Hz 次 可 选格式 720 1440 240p59 94 60Hz 2880 480i 59 94 60Hz 2880 240p 59 94 60Hz 1440 480p 59 94 60Hz 1920 1080p 59 94 60Hz 720 1440 288p50Hz 2880 576i 50Hz 2880 288p 50Hz 1440 576p 50Hz 1920 1080p 23 98 24Hz 第 28 页 共 70 页 1920 1080p 25Hz 1920 1080p 29 97 30Hz 2880 480p 59 94 60Hz 2880 576p 50Hz 1920 1080i 1250 total 50Hz 720 1440 480i119 88 120Hz 720 480p 119 88 120Hz 1920 1080i 119 88 120Hz 1280 720p 119 88 120Hz 720 1440 480i239 76 240Hz 720 480p 239 76 240Hz 720 1440 576i100Hz 720 576p 100Hz 1920 1080i 100Hz 1280 720p 100Hz 720 1440 576i200Hz 720 576p 200Hz 4 1 2象素编码和色彩深度 HDMI支持3种象素编码 RGB 4 4 4 YCBCR 4 4 4 YCBCR 4 2 2 同时支持4种色彩 深度 24 30 36 48bits pixel 而仅仅RGB 4 4 4 和 YCBCR 4 4 4可用在多于24bits的 Deep Color 模式 以24bits为例 图25表示RGB 4 4 4 格式的编码 图21 默认象素编码 RGB 4 4 4 8bits 分量 而图26所示的是24bits YCBCR 4 2 2 信号映射和传输时序 因为4 2 2仅需要每个象素2 第 29 页 共 70 页 个分量 所以24bits被分成了12bits 代表 Y 12bits 代表 C 图22 YCBCR 4 2 2 分量 在HDMI种应用的YCBCR 4 2 2象素格式更像ITU R BT 601标准中规定的 高8位代表Y 映射到通道1的8位 低4位映射到通道0的低4位 如果采用多于12位的 则有效位应该左移 而LSb应该补零 第三种编码 YCBCR 4 4 4与第一种类似 如图27所示 图23 8位YCBCR 4 4 4格式映射 对于色彩深度位24bits pixel的格式 象素的传送速率与TMDS时钟一致 而对于更深的 色彩深度 TMDS则应该比象素时钟更快 以提供更高的带宽 TMDS时钟是随着象素字 的大小而改变的 24位模式 TMDS clock 1 0 pixel clock 1 1 30位模式 TMDS clock 1 25 pixel clock 5 4 36位模式 TMDS clock 1 5 pixel clock 3 2 48位模式 TMDS clock 2 0 pixel clock 2 1 第 30 页 共 70 页 4 2数据孤岛周期 数据孤岛用来传送音频采样数据和辅助数据 辅助数据包括信息帧和其他用以描述音 频和视频流的数据 每个数据孤岛都以前导码开始 接着是Leading Guard Band 然后是孤 岛数据 在每个数据孤岛的TMDS时钟周期 包括Guard Band TMDS通道0的第0和第1位传送 经过编码的HSYNC和VSYNC TMDS通道0的第2位用来传送包头 Packet Header 通道 1和通道2用来传送包数据 如图22所示 每个包有32象素长度 并且经过BCH ECC错误校 验保护 数据孤岛期间 3个TMDS通道都传送由4bits转换成10bits的数据 并且应用TMDS Error Reduction Coding TERC4 降低误码率 图24 TMDS周期与编码类型 对于源端来说 必须要考虑数据孤岛周期的持续时间 用以确定视频信号的水平和垂 直标志信号的消隐周期和同步信号 所以必须遵照一下规则 1 所有TMDS控制周期至少应该保持tS min 12 特征 象素 长度 2 数据孤岛应该至少包含1个数据包 其长度至少是36象素长度 第 31 页 共 70 页 3 孤岛应该包含整数倍的数据包 为了确保数据的可靠性 不能超过18个包 4 0 1或更多的数据孤岛一般是在两个视频数据周期之间发生 5 当传送视频信号的时候 至少应该有1个数据孤岛在两个视频域之间发送 4 3控制周期 控制周期用来传送前导码 同时作为接收端的特征同步 HDCP规程定义的增强型加 密状态信令ENC EN code CTL0 3 1001 在这里不作强制要求 前导码之后紧接着是视频数据周期和数据孤岛周期 由8bits控制字组成 表明接下来 的数据周期是视频数据周期还是数据孤岛周期 CTL0 CTL1 CTL2和CTL3表明数据周 期的类型 剩余的控制信号HSYNC和VSYNC会根据帧的行列而不同 强制的前导码定义如下 表 13 前导码对应的每个数据周期类型 CTL0CTL1CTL2CTL3数据周期类型 1000视频数据周期 1010数据孤岛周期 在TMDS接收端需要确定串行数据特征边界 一旦所有通道的特征边界被确定 接收 端就已经与串行数据同步 就可以从数据通道恢复出TMDS特征从而进行解码 TMDS数 据会提供周期性的解码同步特征 为了能够让接收端有足够的时间同步 规定接收端需要至少大于等于tS min 12 特征 长度 而源端也有时会发送一个扩展的控制周期 如表17所示 表 14 TMDS 接收同步建立时间和扩展周期参数 参数描述值单位 tS min最小持续控制周期12TPIXEL tEXTS max delay扩展控制周期最大时间50ms tEXTS min扩展控制周期最小持续时间32TPIXEL 第 32 页 共 70 页 每个视频数据周期数据岛周期均开始于一个Guard Band 这样设计的目的在于在控制 周期之后明确限定后续的跳转是数据周期 Guard Band是由三个特殊的字符组成的 对于Guard Band这个东东是个什么概念 以下进行说明 它的作用就是明确在出现Guard Band之后的数据是有效视频象素数据或者是数据岛周 期的有效数据 对于两种不同的数据周期和数据岛周期其Guard Band也不一样 数据岛周期中 Guard Band分为两种 在有效数据之前的是前导Guard Band 在传输完有 效数据之后出现是trailing Guard Band 两个Guard Band的作用就是精确的限定了有效数据 位置 下图是数据岛周期中前导Guard Band 和trailing Guard Band 图25 数据岛前导码和保护码 数据周期中 只有前导Guard Band 而没有trailing Guard Band 下图中是视频数据前 导Guard Band的TMDS发送值 图26 视频数据周期中的前导码 5 HDMI 数字版权保护系统数字版权保护系统 由于采用纯数字视频格式的传输连接 视频内容可以无限制的复制 播出 且信号质 量相对于信源不会出现较大的衰减或退化 因而国际运动图像组织非常担忧高价值数字视 频内容著作版权的保护 从而迫切希望能阻止使用计算机利用数字接口对手保护的数字视 频内容进行非法复制 鉴于此 在DVI数字接口规范正式公布一年后 intel组织推出了 HDCP技术 并于2003年9月发布了1 1修订本 同样是数字传输接口的HDMI接口规范 也 第 33 页 共 70 页 包含了对HDCP技术规范的支持以便保护数字内容 HDCP high band width digital content protection 高带宽数字内容保护规范 是以商 业娱乐内容的社团组织专利使用权DCP LLC digital content protection LLC 的形式 对通过 DVI或HDMI接口进行的商业娱乐数字视频内容进行加密保护的规范 该规范有国际运动图 像联盟实施 防止从DVI接口输出的任何拷贝行为 HDCP是一个从信源发射器到接收端 包括相应芯片制造商 整个传输链上对数字视频内容进行密钥式安全保护的协议 实施 这个协议后 HDMI接收器必须是符合HDCP规范的才能接收显示一个被加密保护的HDCP 源信号 具体实施分为三个步骤 1 在符合HDCP技术要求的发射端和接收端之间 显示接收设备须使用密钥 SECRET KEYS 进行版权许可的鉴定识别证明 authentication of a licensed 2 数字视频内容的加扰与解扰 3 接收端显示设备种的密钥必须在事件的进行中可变更的鉴定编码相一致 凡是HDCP组织成员的数字视频内容供应商都被赋予一个身份标识 在交纳费用后其 数字视频内容将受到保护 成员中的发射播放设备和显示接收设备制造商同样也被组织要 求一个唯一的HDCP器件密钥 它就是DCP LLC提供的内容版权使用授权许可 通常它是 由一个40组 56bit阵列密码组成的 就像一个串行数字 需要存储在一个可编程的 NVRAM non volation RAM 中 而不是通常的ROM中 视频发射端中的key称作AKSV 接 受显示端中的key称作BKSV HDCP系统的工作完全取决于发射端和接收端设备之间的密钥交换 除被保护的内容 外 收发之间的所有HDCP信息交换都是通过DDC bus进行的 其数据信息交换过程如图 第一步 一个合法的HDCP发射器在发射保护连接前 必须首先鉴别假手起是否合法 即在接收和发射器之间交换一个40组的密钥矢量 收发双方将获得的KSV和自己存有的密 钥进行各自独立的运算 运算的结果与发射端值对比 若二者匹配 则发射端就能确定此 接收器为HDCP适合接收者 第二步 一旦发射端鉴定了接收端为合法 发射器便开始发射建立在图像帧结构商的 帧加密数据 接受断则必须实时解扰数据 去伪随机 才能正确的显示图像 第三步 当发射器像接收器连续传送加扰数据时 发射器还必须随时鉴定新的鉴别值 用接收端在此之前蹭接收过的每一个128个编码帧进行计算和识别 以保证发射端发射连接 第 34 页 共 70 页 的真实性和安全性而不存在偷听 窃密 在这种情况下 系统还允许发射断对接收端重新 进行鉴定认证 过程从上述第一步开始 HDCP规范还强调 HDCP密钥对每一个发射器或接收器都是唯一的 由于它的容量较 小 约280BYTE 容易和EDID放在同一个PRAM中 这样很容易被窃取 规范建议典型 的做法是将密钥存书在独立的NVRAM中 因为器件的KEYS决不会在系统通讯时通过DDC 发射时被打开或暴露 对于大规模生产时 密钥的烧录过程也不要从电缆上进行 以防黑 客从系统与通讯时盗取密钥 为保证HDCP keys的安全性 在HDCP特性参数中对keys的保 存提供一个附加的保护层 允许各设备制造商将获得的keys应用各自的加密算法处理后存 储 HDCP规范是一个透明的 非强制性的规范 也允许一个通过DVI数据电缆发射的不受 约束的多媒体内容的拷贝 6 HDMI 测试方案测试方案 HDMI组织在成立之初就考虑道了兼容性问题 在电气以及协议标准制定之后也制定 了相应的一致性测试标准 CTS 并先后在全球成立了5个ATC 授权测试中心 目前 所有ATC采用同样的测试设备和测试方法对三类设备 源端设备 接收端设备 传输电缆 进行一致性测试 只有通过ATC测试合格后才给予HDMI的授权 准许其产品打上HDMI徽 标进行销售 对于HDMI芯片及设备生产商来说 了解CTS的测试原理以及方法流程对于其 产品的设计 调试和工程化以尽快进入市场也会有相当大的帮助 CTS规定的测试内容按照特性分有 电气特性测试 连接器特性测试 协议测试 音 视频分析测试 以及EDID DDC CEC分析测试 按照设备分有 源端测试 接收端测试 传输线缆测试 转发器测试等 这里根据Tek公司提供的测试方案 从CTS中提取出接口硬件电气特性测试考察的内容 进行探讨 对协议方面的测试不予以关注 主要测试内容如表25所示 当然如果要通过 ATC的认证 还需按照参考CTS 1 3中所有测试内容和要求去进行操作 这一章对使用到示波器的测试项目进行说明 在下一章中说明其余的测试项目 表 15 HDMI 接口硬件测试内容 电接口信号测试CTS测试编号测试点 源端时钟 数据数据眼图 Data Eye Diagram 7 10TP1 第 35 页 共 70 页 时钟抖动 Clock Jitter 7 9 时钟占空比 Clock Duty Cycle 7 8 过冲 下冲 Overshoot Undershoot 7 5 上升 下降时间 Rise Fall Time 7 4 对间偏移 Inter pair Skew 7 6 数据 数据对间偏移 Inter pair Skew 7 6 对内偏移 Intra pair Skew 7 7 单端低电平输出电压 Low Level Output 7 2 抖动容限 Jitter 8 7 最小 最大差分摆幅容限8 5 对内偏移 Intra pair Skew 8 6 接收端 差分阻抗8 8 TP2 传输线缆数据眼图5 3TP1 2 对上面表格中的测试项目进行理解我们需要借助于以下框图 下图中是一个HDMI接 口的点对点的系统 我们把CTP1端作为源端 把CTP2端作为接收端 当测试源端的性能 的时候 选择CTP1端作为测试点 中间连接测试夹具 然后通过测试夹具连接到示波器上 进行测试 有关测试夹具在下面会有介绍 当测试接收端性能的时候 选择CTP2作为测试 点 在接口处也是通过测试夹具连接到DTG 数据定时发生器 DTG产生时钟和数据 时钟和数据中附加抖动和偏移来检验接收端的性能 另外 在传输线缆测试中 所选取的 测试点为CTP1 2 则是融合了源端和接收端测试组网 DTG通过测试夹具与线缆相接 线 缆的另一端通过测试夹具与示波器相接 DTG产生时钟和数据 并且时钟和数据中附加抖 动和偏移 在示波器上测量通过线缆后扩大的抖动和偏移 以此来检验线缆性能 图27 测试点示意图 第 36 页 共 70 页 6 1测试仪器要求 测试设备按照第二种分类原则分为源端 接收端 传输线缆 转发器的测试仪器 CTS通过自己的认证在其规范中列出了一个 推荐测试仪器 的列表 请见CTS 1 3 也就 是说这些仪器是在ATC机构使用的测试仪器 一旦自己有了同样的设备 测试合格后 理 论上在ATC做认证就没有问题了 但是据了解现在ATC所使用的都是安捷伦的设备 而我们采用的是泰克的测试设备 两家设备还是有一点点差别 通过泰克测试的产品要拿到ATC进行测试不一定都能通过 不过有一点 只要我们单板做的好 所留的裕量比较大 也不怕ATC用不同的测试设备 6 1 1测试夹具 TAP 所谓的测试夹具其实和我们平时使用的网口测试夹具差不多 也就是一块PCB板 出 了不同的接口 在PCB板上出的信号线实现精确的等长设计 另外 PCB板所